JPH11264778A - Optical fiber type pressure sensor - Google Patents

Optical fiber type pressure sensor

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Publication number
JPH11264778A
JPH11264778A JP6966998A JP6966998A JPH11264778A JP H11264778 A JPH11264778 A JP H11264778A JP 6966998 A JP6966998 A JP 6966998A JP 6966998 A JP6966998 A JP 6966998A JP H11264778 A JPH11264778 A JP H11264778A
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JP
Japan
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optical fiber
amount
pressure
change
initial
Prior art date
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Application number
JP6966998A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Rintaro Minamitani
林太郎 南谷
Akio Yasukawa
彰夫 保川
Shizuhisa Watanabe
静久 渡辺
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical fiber intra-cylinder pressure sensor which does not require a complicated processing of constituent members of engine, is equipped with a high sensitivity of sensor, and excels in the long-term stability. SOLUTION: This optical fiber type pressure sensor includes at least one optical fiber and a means to convert the pressures at points in N pieces into displacements, and an initial flexural deflection is given to the optical fiber previously by a means to give deflection to the optical fiber which is added to the above-mentioned converting means, and bending stress is given to the optical fiber in accordance with the change of the pressure by the converting means, and the pressure is determined from the change in the photo-quantity passing through the optical fiber. Within the measurable range of passing photo- quantity, the initial flexural deflection amount to be previously given to the optical fiber is set so that the product of A and B maximizes, where A is (N-1)th power of the passing photo-quantity in the optical fiber having initial flexural deflection in one place while B is the change of the photo-quantity in the fiber when the flexural deflection complying with the pressure change is superposed on the initial flexural deflection.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、エンジン制御のた
めに行われるシリンダ内の圧力(筒内圧)の計測、その
他の圧力の計測に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to the measurement of pressure in a cylinder (in-cylinder pressure) and the measurement of other pressures performed for engine control.

【0002】[0002]

【従来の技術】圧力の計測に係わる従来技術として、以
下、自動車エンジンの制御のための筒内圧(ノック圧を
含む)計測の場合について述べる。エンジンの筒内圧及
び振動(ノック)を検出して、エンジンの制御に反映さ
せる技術として、ピエゾ効果を利用したものがあり、特
開平3−237761号公報に記載されている圧力セン
サがある。これに対し、エンジンルームのような電気的
雑音の多い環境に適したセンシングを行うために、光フ
ァイバを利用した光学的筒内圧センサが提案されてき
た。これらは電気的外乱に強いばかりでなく、ピエゾ効
果を利用したものに比べて精度の高い筒内圧測定をする
ことができる。その一例として特開平7−306109
号公報に、複屈折率光ファイバを採用し、ガスケットを
加工して圧力伝達手段をエンジンの複数ある気筒ごとに
設け、ガスケット内に上記光ファイバを内蔵することに
より、気筒内の圧力や振動の時間変化を各気筒毎に細か
く捉える技術が提案されている。
2. Description of the Related Art As a conventional technique relating to pressure measurement, a case of measuring in-cylinder pressure (including knock pressure) for controlling an automobile engine will be described below. As a technique for detecting an in-cylinder pressure and vibration (knock) of an engine and reflecting the result in engine control, there is a technique utilizing a piezo effect, and there is a pressure sensor described in JP-A-3-237761. On the other hand, an optical in-cylinder pressure sensor using an optical fiber has been proposed in order to perform sensing suitable for an environment with much electrical noise such as an engine room. These are not only resistant to electric disturbance but also can measure the in-cylinder pressure with higher accuracy than those using the piezo effect. One example is disclosed in JP-A-7-306109.
In the publication, a birefringent optical fiber is adopted, a gasket is processed, pressure transmitting means are provided for each of a plurality of cylinders of the engine, and the optical fiber is built in the gasket, thereby reducing pressure and vibration in the cylinder. There has been proposed a technique for capturing time change in detail for each cylinder.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術の筒内圧
センサは、10MPa程度の筒内圧を測定するのに好適
であるが、筒内圧に比べて1/1000程度の圧力のノ
ック信号の検出が困難であるという問題があり、ノック
信号を長期的に安定して検出することが要求されてい
る。
The above-mentioned prior art in-cylinder pressure sensor is suitable for measuring an in-cylinder pressure of about 10 MPa. However, a knock signal having a pressure of about 1/1000 of the in-cylinder pressure is detected. There is a problem that it is difficult, and it is required to detect a knock signal stably over a long period of time.

【0004】また、筒内圧センサは、エンジン制御用に
使用されるため、長期に渡り安定した信号検出が必要で
ある。そのためには、圧力を変位に変換する手段に付加
した光ファイバに曲げたわみを与える手段により負荷さ
れるひずみによる光ファイバの破損や側圧による光ファ
イバコーティングのはく離等の劣化を抑制することが要
求されている。
Further, since the in-cylinder pressure sensor is used for controlling the engine, it is necessary to detect a stable signal for a long period of time. For that purpose, it is required to suppress deterioration such as breakage of the optical fiber due to strain applied by the means for bending the optical fiber added to the means for converting pressure into displacement, and peeling of the optical fiber coating due to lateral pressure. ing.

【0005】さらに、低コストで製造するために、上記
課題をいかに簡素な構造で実現するかが要求される。
[0005] Furthermore, in order to manufacture at low cost, it is required to realize the above-mentioned problem with a simple structure.

【0006】本発明は、エンジン構成部材の複雑な加工
を必要とせずに、感度の大きい、長期安定性に優れた光
ファイバ筒内圧センサを提供することを目的とする。
An object of the present invention is to provide an optical fiber in-cylinder pressure sensor having high sensitivity and excellent long-term stability without requiring complicated processing of engine components.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題に鑑
みてなされたものであり、少なくとも1本の光ファイバ
と、N箇所の圧力について各々圧力を変位に変換する手
段を有し、前記圧力を変位に変換する手段に付加した光
ファイバに曲げたわみを与える手段により予め光ファイ
バに初期曲げたわみを与え、さらに前記圧力の変化に応
じて光ファイバに曲げたわみを与えて前記光ファイバ内
を通過する光量の変化から、前記圧力を検出する光ファ
イバ式圧力センサにおいて、通過光量の測定可能範囲内
で、(1箇所の初期曲げたわみによる通過光量)の(N
−1)乗と(前記圧力変化に応じた光ファイバの曲げた
わみによる通過光量の変化量)の積が最大になるよう
に、予め光ファイバに与える初期曲げたわみ量を設定す
ることを特徴とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and has at least one optical fiber and means for converting pressure into displacement at each of N pressures. A means for imparting a bending deflection to the optical fiber added to the means for converting the pressure into a displacement gives an initial bending deflection to the optical fiber in advance, and further gives a bending deflection to the optical fiber in response to the change in the pressure, so that the inside of the optical fiber is bent. In an optical fiber type pressure sensor that detects the pressure from the change in the amount of light passing through, within the measurable range of the amount of light passing, the amount of (N
-1) The initial bending amount to be applied to the optical fiber is set in advance so that the product of the power and (the amount of change in the amount of transmitted light due to bending of the optical fiber according to the pressure change) is maximized. .

【0008】上記課題を解決する本発明の第2の手段
は、光ファイバと、該光ファイバの長手方向N個所に配
置されそれぞれの個所で前記光ファイバに初期たわみを
付与する初期たわみ付与手段と、該初期たわみ付与手段
それぞれに付加され計測しようとする圧力の変化に応じ
たたわみ量を前記光ファイバの初期たわみに重畳する圧
力変換手段とを有してなり、前記光ファイバ内を通過す
る光量の変化から、前記圧力の変化を検出する光ファイ
バ式圧力センサにおいて、通過光量の測定可能範囲内
で、(1箇所の初期曲げたわみをもつ光ファイバの通過
光量)の(N−1)乗と(前記初期曲げたわみに前記圧
力変化に応じた曲げたわみが重畳された光ファイバの通
過光量の変化量)の積が最大になるように、予め光ファ
イバに与える初期曲げたわみ量が設定されていることを
特徴とする。
[0008] A second means of the present invention for solving the above-mentioned problems comprises an optical fiber, and initial deflection applying means arranged at N positions in the longitudinal direction of the optical fiber and applying initial deflection to the optical fiber at each of the positions. Pressure conversion means for superimposing a deflection amount according to a change in pressure to be measured, which is added to each of the initial deflection applying means, on the initial deflection of the optical fiber, and an amount of light passing through the optical fiber. In the optical fiber pressure sensor which detects the change in pressure from the change in the pressure, within the measurable range of the amount of transmitted light, the (N-1) th power of (the amount of transmitted light of the optical fiber having one initial bending deflection) and The initial bending given to the optical fiber in advance so that the product of (the amount of change in the amount of light passing through the optical fiber in which the bending according to the pressure change is superimposed on the initial bending) is maximized. Wherein the Wami amount is set.

【0009】上記第1、第2の手段に記載の光ファイバ
式圧力センサは、エンジンの多気筒の圧力を測定するも
のとしてよい。
The optical fiber type pressure sensor according to the first and second means may measure the pressure of a multi-cylinder engine.

【0010】上記エンジンの多気筒の圧力を測定する光
ファイバ式圧力センサにおいて、(前記初期曲げたわみ
に前記圧力変化に応じた曲げたわみが重畳された光ファ
イバの通過光量の変化量)の前記圧力変化はエンジンの
ノックによる筒内圧の変化としてよい。
In the above-mentioned optical fiber type pressure sensor for measuring the pressure of the multi-cylinder engine, the pressure of (the amount of change in the amount of light passing through the optical fiber in which the bending according to the pressure change is superimposed on the initial bending). The change may be a change in cylinder pressure due to engine knock.

【0011】上記各項記載の光ファイバ式圧力センサに
おいて、1箇所の初期曲げたわみによる通過光量が、入
力光量を1としたとき少なくとも0.8になるように、
予め光ファイバに与える初期曲げたわみ量が設定される
ことが望ましい。
In the optical fiber type pressure sensor described in each of the above items, the amount of light passed by one initial bending is set to be at least 0.8 when the amount of input light is 1.
It is desirable that the amount of initial bending given to the optical fiber be set in advance.

【0012】また、シリンダとシリンダヘッドの間に挿
入して使用されるガスケットに、上記各項記載の光ファ
イバ式圧力センサを内蔵してもよい。
The optical fiber type pressure sensor described in each of the above items may be built in a gasket used by being inserted between the cylinder and the cylinder head.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について、
図面を用いて詳細に説明する。図2は、本発明に係る光
ファイバ式圧力センサの実装状態を、エンジンガスケッ
ト40へ実装した場合を例にして、燃焼圧力感受部分を
中心に図解したもので、図2の(b)は、図2の(a)
のA−A線矢視断面の一部を拡大してある。図示の光フ
ァイバ式圧力センサは、円板状のセンサブロック20
と、このセンサブロック20の内部を通過するように配
置された光ファイバ50と、を含んで構成され、センサ
ブロック20と光ファイバ50とは、ガスケット40内
部に形成された光ファイバ通路に内装されている。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
This will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 2 illustrates the mounting state of the optical fiber type pressure sensor according to the present invention in a case where the optical fiber pressure sensor is mounted on an engine gasket 40 as an example, with a focus on a combustion pressure sensing portion. FIG. 2 (a)
A part of the section taken along line AA of FIG. The illustrated optical fiber type pressure sensor has a disc-shaped sensor block 20.
And an optical fiber 50 disposed so as to pass through the inside of the sensor block 20. The sensor block 20 and the optical fiber 50 are housed in an optical fiber passage formed inside the gasket 40. ing.

【0014】ガスケット40は、厚み方向に3層、すな
わち上板40a,中板40b,下板40cで形成され、
それらが相互に接合されて1枚のガスケット40を構成
している。中板40bの各シリンダの横になる位置が円
形に切り抜かれてシリンダの数だけの空所が1列に並ん
で設けられ、この空所それぞれに前記円板状のセンサブ
ロック20が嵌めこまれている。中板40bの上面(上
板40a側の面)には、前記円形の空所及びガスケット
40の長手方向両端部を結ぶ直線をなすように、光ファ
イバ通路10aが溝状に形成されている。前記センサブ
ロック20は、上側の上センサブロック20aと下側の
下センサブロック20bとが互いに接合されて形成さ
れ、下センサブロック20bの上面は、中板40bの前
記円形の空所にはめこまれた状態で、中板40bの前記
光ファイバ通路10aの底面と同じ面になるようにして
ある。上センサブロック20aは円環状をなしており、
その下面の前記直線が通過する位置には、溝状の光ファ
イバ通路10bが形成されている。また、下センサブロ
ック20bの上面中央には、前記直線と直交する方向に
延びる、断面方形の突起部(初期たわみ付与手段)23
が形成され、下センサブロック20bの下面(下板40
cに対向する面)には、前記円形の空所と同心状の円板
形の凹み11が形成されている。つまり、下センサブロ
ック20bの厚みが、円板形の凹み11を形成すること
により薄くなり、この結果、下センサブロック20bに
円形のダイアフラム21が形成される。前記円板形の凹
み11は、中板40bの下面に溝状に前記直線と直交す
る方向に形成された内圧導入路により、ガスケット40
のシリンダ穴内周面に連通している。なお、円環状の上
センサブロック20aの内径は、下センサブロック20
b下面の円板形の凹み11の内径とほぼ一致する大きさ
としてある。
The gasket 40 is formed of three layers in the thickness direction, namely, an upper plate 40a, a middle plate 40b, and a lower plate 40c.
They are joined together to form one gasket 40. The side of each cylinder of the middle plate 40b is cut out in a circular shape, and vacancies corresponding to the number of cylinders are provided in a line, and the disc-shaped sensor block 20 is fitted into each of the vacancies. ing. An optical fiber passage 10a is formed in a groove shape on the upper surface of the middle plate 40b (surface on the upper plate 40a side) so as to form a straight line connecting the circular space and both ends in the longitudinal direction of the gasket 40. The sensor block 20 is formed by joining an upper upper sensor block 20a and a lower lower sensor block 20b to each other, and an upper surface of the lower sensor block 20b is fitted into the circular space of the middle plate 40b. In this state, the intermediate plate 40b is flush with the bottom surface of the optical fiber passage 10a. The upper sensor block 20a has an annular shape,
A groove-shaped optical fiber passage 10b is formed at a position on the lower surface where the straight line passes. In the center of the upper surface of the lower sensor block 20b, a projecting portion (initial deflection applying means) 23 having a rectangular cross section and extending in a direction orthogonal to the straight line is provided.
Are formed, and the lower surface (the lower plate 40) of the lower sensor block 20b is formed.
c), a disc-shaped recess 11 is formed concentrically with the circular space. That is, the thickness of the lower sensor block 20b is reduced by forming the disc-shaped recess 11, and as a result, a circular diaphragm 21 is formed in the lower sensor block 20b. The disk-shaped recess 11 is formed in the gasket 40 by an internal pressure introduction path formed in a groove shape on the lower surface of the middle plate 40b in a direction perpendicular to the straight line.
Of the cylinder bore. The inner diameter of the annular upper sensor block 20a is equal to the lower sensor block 20a.
b The size is substantially the same as the inner diameter of the disc-shaped recess 11 on the lower surface.

【0015】光ファイバ通路10a、10bは一直線を
なしており、光ファイバ50は光ファイバ通路10a、
10bをとおり、前記突起部23の上を超えて延びるよ
うに配設される。光ファイバ50の一端は光源60に、
他端は光電モジュールを備えた受光器61に、それぞれ
接続されている。受光器61から出力される電気信号は
図示されていないコントローラに入力され、圧力値に変
換されて表示、出力される。すなわち、筒内圧計測装置
としては、前記光源60、光ファイバ式圧力センサを内
装したガスケット40、受光器61及びコントローラを
含んで構成される。
The optical fiber passages 10a and 10b are straight, and the optical fiber 50 is connected to the optical fiber passages 10a and 10a.
10b, it is arranged so as to extend over the protrusion 23. One end of the optical fiber 50 is connected to the light source 60,
The other end is connected to a light receiver 61 having a photoelectric module. The electric signal output from the light receiver 61 is input to a controller (not shown), converted into a pressure value, and displayed and output. That is, the in-cylinder pressure measuring device is configured to include the light source 60, the gasket 40 containing the optical fiber pressure sensor, the light receiver 61, and the controller.

【0016】ここでは圧力を変位に変換する手段とし
て、ダイアフラムを例にとり説明する。このように、ガ
スケット40をエンジン本体25に締め付けることによ
り、ダイアフラム21あるいはセンサブロック20bの
ダイアフラム部の上部はシリンダ外部に連通され、下部
はシリンダ内部に連通されるから、ダイアフラム21の
上下に筒内圧に基づく圧力差が形成される。この圧力差
によってダイアフラム21が上方に凸に変形し、この変
形により、ダイアフラム21の上面に配置された突起部
23がさらに上方に押し上げられて、該突起部23の上
に導設され初期たわみを付加されている光ファイバ50
に曲げたわみがさらに付加される。すなわち、ダイアフ
ラム21、上センサブロック20aが、筒内圧の変化を
光ファイバ50のたわみ量の変化に変換する圧力変換手
段を構成するのである。
Here, as a means for converting pressure into displacement, a diaphragm will be described as an example. In this manner, by tightening the gasket 40 to the engine body 25, the upper portion of the diaphragm 21 or the diaphragm portion of the sensor block 20b communicates with the outside of the cylinder, and the lower portion communicates with the inside of the cylinder. Is formed. Due to this pressure difference, the diaphragm 21 is deformed upwardly convex, and this deformation pushes the projection 23 disposed on the upper surface of the diaphragm 21 further upward, and is guided on the projection 23 to reduce the initial deflection. Optical fiber 50 added
The bending deflection is further added to the above. That is, the diaphragm 21 and the upper sensor block 20a constitute a pressure conversion unit that converts a change in the in-cylinder pressure into a change in the amount of deflection of the optical fiber 50.

【0017】上記光ファイバ50は、上センサブロック
20a側に刻まれた光ファイバ通路10b(光ファイバ
通路10bは下センサブロック20b側に形成してもよ
いが、その場合、光ファイバ通路10bの底面がダイア
フラム21の上面となるように、下センサブロック20
bの上面に円形の凹みを形成する)を通り、ダイアフラ
ム21の上でダイアフラムに設けた突起部23に接して
その上を通過し、反対側の光ファイバ通路10bを経て
センサブロック20の外側のガスケット40の光ファイ
バ通路10aに沿って設置される。また、図の紙面と垂
直方向に光ファイバ50が横ずれした場合でも光ファイ
バ50が突起部23から外れないよう、光ファイバ通路
10a、10bの幅と共に突起部23の幅(前記直線と
直交する方向の長さ)を選ぶようにする。少なくとも、
光ファイバ通路10bの幅よりも大きくしておく。
The optical fiber 50 is provided with an optical fiber passage 10b cut on the upper sensor block 20a side (the optical fiber passage 10b may be formed on the lower sensor block 20b side, in which case, the bottom surface of the optical fiber passage 10b Sensor block 20 so that
b, a circular recess is formed on the upper surface of the sensor block 20 through the optical fiber passage 10b on the opposite side, passing over the projection 23 provided on the diaphragm 21 on the diaphragm 21. The gasket 40 is installed along the optical fiber passage 10a. In addition, the width of the projection 23 together with the width of the optical fiber passages 10a and 10b (in the direction perpendicular to the straight line) so that the optical fiber 50 does not come off the projection 23 even when the optical fiber 50 is shifted laterally in the Length). at least,
The width is larger than the width of the optical fiber passage 10b.

【0018】この様にして、光ファイバ50を、光ファ
イバ通路10bの上センサブロック20aの内周側コー
ナ部2箇所、ダイアフラム21の突起部23の先端2箇
所(突起部23の上面の図上、左右両側の角部)、及び
センサブロック20の光ファイバ通路10bの底面2箇
所の6点で支持することにより、予め光ファイバ50に
初期曲げが与えられる。
In this manner, the optical fiber 50 is divided into two locations on the inner peripheral side of the upper sensor block 20a of the optical fiber passage 10b and two locations on the tip of the projection 23 of the diaphragm 21 (on the top view of the projection 23). The optical fiber 50 is preliminarily bent in advance by supporting the optical fiber 50 at two points on the bottom surface of the optical fiber passage 10b of the sensor block 20.

【0019】図3に光ファイバの曲げたわみ量に対する
光ファイバの通過光量/入射光量の比(以下、通過光量
という)の測定例を模式的に示す。光ファイバの通過光
量は、光ファイバの光学特性と光ファイバの支持構造に
依存して、適当な曲げたわみの位置から急激に低下して
いる。燃焼に伴いシリンダ内圧が増加すると、図2に示
す実施例ではダイアフラム21の図下方から圧力70が
加わる。これに伴い、光ファイバの曲げたわみ量が、初
期設定値H0(ダイアフラム21の突起部23の高さ)
に加えΔHだけ大きくなり、図3に示すように上記光フ
ァイバ50の通過光量は初期設定値α(H0)からα
(H0+ΔH)に低下する。したがって、燃焼による圧
力と通過光量の関係を予め求めておけば、通過光量を測
定することにより、筒内圧を知ることができる。
FIG. 3 schematically shows a measurement example of the ratio of the amount of transmitted light / the amount of incident light of the optical fiber to the amount of bending of the optical fiber (hereinafter referred to as the amount of transmitted light). The amount of light passing through the optical fiber rapidly decreases from an appropriate bending deflection position depending on the optical characteristics of the optical fiber and the supporting structure of the optical fiber. When the cylinder internal pressure increases with combustion, a pressure 70 is applied from below the diaphragm 21 in the embodiment shown in FIG. Accordingly, the amount of bending of the optical fiber is reduced to the initial set value H0 (the height of the projection 23 of the diaphragm 21).
In addition, as shown in FIG. 3, the amount of light passing through the optical fiber 50 increases from the initial set value α (H0) by αH.
(H0 + ΔH). Therefore, if the relationship between the pressure due to combustion and the amount of passing light is determined in advance, the in-cylinder pressure can be known by measuring the amount of passing light.

【0020】従来は、図3に示す通過光量−光ファイバ
たわみ量曲線の準線形領域(1箇所あたりの通過光量が
0.8以下とした)に、ダイアフラム突起高さを設定し
て、以下のように1気筒の場合を想定して、ノック圧を
感度良く検出できるようにセンサを設計していた。ダイ
アフラムの突起高さH0に対する光ファイバの通過光量
α(H0)は、ノック圧に対応したダイアフラムの変位Δ
HによりΔαだけ変化する。
Conventionally, the height of the diaphragm projection is set in the quasi-linear region (the amount of transmitted light per spot is set to 0.8 or less) in the curve of the amount of transmitted light versus the amount of deflection of the optical fiber shown in FIG. As described above, the sensor is designed so that the knock pressure can be detected with high sensitivity, assuming the case of one cylinder. The amount of light passing through the optical fiber α (H0) with respect to the projection height H0 of the diaphragm is the displacement Δ of the diaphragm corresponding to the knock pressure.
H changes by Δα.

【0021】 Δα=α(H0+ΔH)−α(H0)……(1) 入力光量Iinに対して、初期設定時(光ファイバの曲げ
たわみ量が突起高さH0)の出力光量をIout、ノック圧
発生時(光ファイバの曲げたわみ量が突起高さH0+Δ
H)の出力光量をIout′とすると、1気筒の場合すな
わち測定箇所が1箇所の場合、ノック圧に対する通過光
量変化ΔIout(ノック出力)は次式で与えられる。
Δα = α (H0 + ΔH) −α (H0) (1) With respect to the input light amount Iin, the output light amount at the time of initial setting (the bending amount of the optical fiber is the protrusion height H0) is Iout, and the knock pressure is When it occurs (the amount of bending of the optical fiber is equal to the protrusion height H0 + Δ
Assuming that the output light amount of H) is Iout ', in the case of one cylinder, that is, in the case of one measurement point, the change in the passing light amount with respect to the knock pressure ΔIout (knock output) is given by the following equation.

【0022】 Iout =α(H0)×Iin ……(2) Iout′=α(H0+ΔH)×Iin ……(3) ΔIout=Iout′−Iout=Δα×Iin……(4) したがって、1気筒の場合のノック出力は、図3に示す
設定光出力α(H0)に依存せず、その変化量Δαのみ
に依存するため、準線形領域でセンサの出力は一定で、
かつ感度が最も高いことがわかる。
Iout = α (H0) × Iin (2) Iout ′ = α (H0 + ΔH) × Iin (3) ΔIout = Iout′−Iout = Δα × Iin (4) In this case, the knock output does not depend on the set light output α (H0) shown in FIG. 3 but depends only on the variation Δα. Therefore, the output of the sensor is constant in the quasi-linear region.
And it turns out that the sensitivity is the highest.

【0023】しかしながら、測定箇所が複数箇所の場
合、例えば4気筒の筒内圧を1本の光ファイバで検出す
る場合、ノックに対する通過光量変化ΔIout(ノック
出力)は、次式で与えられる。
However, when there are a plurality of measurement points, for example, when the in-cylinder pressure of four cylinders is detected by one optical fiber, a change in the passing light amount with respect to knock ΔIout (knock output) is given by the following equation.

【0024】 Iout =(α(H0))4×Iin ……(5) Iout′=α(H0+ΔH)×(α(H0))3×Iin…(6) ΔIout=Iout′−Iout=Δα×(α(H0))3×Iin…(7) したがって、N気筒の場合のノック出力は設定光出力α
(H0)の(N−1)乗と変化量Δαの積に比例する。
つまり、図1に示すように通過光量の測定可能範囲内
で、(1箇所の初期曲げたわみをもつ光ファイバの通過
光量)の(N−1)乗と(初期曲げたわみに加え、ノッ
クによる圧力変化に応じた曲げたわみが重畳された場合
の光ファイバによる通過光量の変化量)の積が最大にな
るように、予め光ファイバに与える初期曲げたわみ量を
設定することにより、最も高感度なセンサ出力を得るこ
とができる。なお、センサ用の光ファイバは、曲げに対
して感度(通過光量変化)が大きいため、微量のΔH
(たとえば10μm)で十分な感度を得ることができ
る。ΔHが微量である場合、図3の準線形領域以外の領
域でも充分にセンサ出力の線形性は保たれている。
Iout = (α (H0)) 4 × Iin (5) Iout ′ = α (H0 + ΔH) × (α (H0)) 3 × Iin (6) ΔIout = Iout′−Iout = Δα × ( α (H0)) 3 × Iin (7) Therefore, in the case of N cylinders, the knock output is the set light output α.
It is proportional to the product of (H0) raised to the (N−1) th power and the change amount Δα.
That is, as shown in FIG. 1, within the measurable range of the passing light amount, the (N-1) th power of (the passing light amount of the optical fiber having one initial bending deflection) and (the initial bending deflection and the pressure due to knocking) By setting the amount of initial bending deflection given to the optical fiber in advance so that the product of the amount of light passing through the optical fiber when the bending deflection according to the change is superimposed is maximized, the most sensitive sensor You can get the output. Since the optical fiber for the sensor has a high sensitivity to bending (change in the amount of transmitted light), a small amount of ΔH
(For example, 10 μm), sufficient sensitivity can be obtained. When ΔH is very small, the linearity of the sensor output is sufficiently maintained even in a region other than the quasi-linear region of FIG.

【0025】また、本光ファイバ式圧力センサはエンジ
ン制御に使用するため、長期に渡り安定した信号検出が
必要である。そのためには、センサの特性に大きく影響
を及ぼす光ファイバのひずみによる破損、及び前記セン
サブロック20に設けた光ファイバに曲げを与える手段
(ダイアフラム21、突起部23、上センサブロック2
0a)により付加される側圧による光ファイバコーティ
ングのはく離等の劣化を抑制することが要求されてい
る。
Further, since this optical fiber type pressure sensor is used for engine control, stable signal detection is required for a long period of time. For this purpose, damages due to distortion of the optical fiber, which greatly affects the characteristics of the sensor, and means for bending the optical fiber provided in the sensor block 20 (diaphragm 21, projection 23, upper sensor block 2,
It is required to suppress deterioration such as peeling of the optical fiber coating due to the lateral pressure added by Oa).

【0026】図3において、本実施例におけるダイアフ
ラム突起高さの初期設定値は、通過光量−光ファイバ曲
げたわみ量曲線の準線形領域に対して、曲げたわみ量が
低い領域に対応する。したがって、本発明の実施例で
は、準線形領域で光ファイバを設定する場合に比べて、
光ファイバに加わるひずみや側圧は低減され、光ファイ
バの破損や光ファイバコーティングのはく離が抑制さ
れ、センサの長寿命化が実現できる。
In FIG. 3, the initial value of the height of the diaphragm protrusion in this embodiment corresponds to a region where the amount of bending deflection is lower than the quasi-linear region of the curve of the amount of transmitted light versus the amount of bending of the optical fiber. Therefore, in the embodiment of the present invention, compared with the case where the optical fiber is set in the quasi-linear region,
The strain and the side pressure applied to the optical fiber are reduced, the breakage of the optical fiber and the peeling of the optical fiber coating are suppressed, and the service life of the sensor can be extended.

【0027】図4に自動車用筒内圧センサとして、ステ
ップインデックス形シングルモード光ファイバ(コア径
5.14μm、クラッド径125μm、比屈折率0.1
63%、カットオフ波長0.56μm)を用いて、4気
筒の圧力を検出し、光ファイバ支持寸法としてセンサブ
ロックのベース部間隔S(上センサブロック20aの内
周径)4mm、センサブロック内の光ファイバ通路高さ
0.18mm、突起長さ(光ファイバ接触点間長さ)
0.8mmとした場合を例に、センサ通過光量と光ファ
イバの初期曲げたわみ量(突起部23の高さ)の関係を
示す。また、図5にノック出力(入力光量40μW、ノ
ックによるダイアフラム変位ΔH=0.1μmの場合)
と光ファイバの初期曲げたわみ量(突起部23の高さ)
の関係を示す。また、図6に光ファイバに加わる最大ひ
ずみ量(前記6個所の接触点での歪量%のうち最大の
値)と光ファイバの初期曲げたわみ量(突起部23の高
さ)の関係を、図7に光ファイバに加わる最大側圧(前
記6か所で光ファイバに加わる力の内の最大値)と光フ
ァイバの初期曲げたわみ量(突起部23の高さ)の関係
を示す。
FIG. 4 shows a step index type single mode optical fiber (core diameter 5.14 μm, clad diameter 125 μm, relative refractive index 0.1) as an in-cylinder pressure sensor for automobiles.
63%, cutoff wavelength 0.56 μm), the pressure of the four cylinders is detected, and the base interval S of the sensor block (the inner diameter of the upper sensor block 20a) is 4 mm as the optical fiber supporting dimension. Optical fiber passage height 0.18 mm, protrusion length (length between optical fiber contact points)
The relationship between the amount of light passing through the sensor and the amount of initial bending of the optical fiber (the height of the projection 23) is shown by taking the case of 0.8 mm as an example. FIG. 5 shows the knock output (when the input light amount is 40 μW, and the diaphragm displacement ΔH is 0.1 μm due to the knock).
And initial bending deflection of optical fiber (height of protrusion 23)
Shows the relationship. FIG. 6 shows the relationship between the maximum strain applied to the optical fiber (the maximum value of the strain% at the six contact points) and the initial bending deflection of the optical fiber (the height of the protrusion 23). FIG. 7 shows the relationship between the maximum lateral pressure applied to the optical fiber (the maximum value of the forces applied to the optical fiber at the six locations) and the amount of initial bending of the optical fiber (the height of the projection 23).

【0028】図4〜5より、予め光ファイバに与える初
期曲げたわみ量、すなわち突起高さが0.12mmでノ
ック出力が最も大きくなり、1箇所の初期曲げたわみに
よる通過光量は0.87となった。なお、この場合の突
起高さは、通過光量−光ファイバたわみ量曲線の準線形
領域に対して、たわみ量が低い領域に設定されている。
したがって、図4〜5より、従来の準線形領域で突起高
さを設定していた場合に比べ、光ファイバに加わるひず
みや側圧は低減され、光ファイバの破損や光ファイバコ
ーティングのはく離が抑制されるため、センサの長寿命
化が実現できる。
4 and 5, the amount of initial bending deflection given to the optical fiber in advance, that is, the knock output is the largest when the projection height is 0.12 mm, and the amount of light transmitted by one initial bending deflection is 0.87. Was. In this case, the protrusion height is set in a region where the amount of deflection is lower than the quasi-linear region of the curve of the amount of transmitted light versus the amount of deflection of the optical fiber.
Therefore, from FIGS. 4 and 5, the strain and the side pressure applied to the optical fiber are reduced, and the breakage of the optical fiber and the peeling of the optical fiber coating are suppressed as compared with the case where the projection height is set in the conventional quasi-linear region. Therefore, the life of the sensor can be extended.

【0029】センサ用にステップインデックス形シング
ルモード光ファイバを用い、N個のシリンダの筒内圧を
測る場合、1箇所の初期曲げたわみによる通過光量が入
力光量に対して少なくとも0.8になるような、予め光
ファイバに与える初期曲げたわみ量の範囲内には、(1
箇所の初期曲げたわみによる通過光量)の(N−1)乗
と(前記初期たわみに加えてノックによる圧力変化に応
じた曲げたわみが重畳された場合の光ファイバの通過光
量の変化量)の積が最大になる設定値が存在する。この
初期曲げたわみ量の設定値を用いることにより、筒内圧
及び振動(ノック)信号の感度を最大に検出することが
できる。さらに、光ファイバに加わるひずみや側圧は低
減され、光ファイバの破損や光ファイバコーティングの
はく離が抑制されるため、センサの長寿命化が実現でき
る。
When a step index type single mode optical fiber is used for a sensor and the in-cylinder pressure of N cylinders is measured, the amount of light passing through one initial bending deflection is at least 0.8 with respect to the amount of input light. Within the range of the initial bending deflection given to the optical fiber in advance, (1
The product of (N-1) raised to the power of (N-1) raised to the power of (the amount of light passing through the optical fiber due to the initial bending deflection of the portion) and (the amount of change in the amount of light passing through the optical fiber when bending deflection according to the pressure change due to knocking is superimposed on the initial deflection) There is a setting value that maximizes. By using the set value of the initial bending deflection amount, the sensitivity of the in-cylinder pressure and the vibration (knock) signal can be detected to the maximum. Further, the strain and the side pressure applied to the optical fiber are reduced, and the breakage of the optical fiber and the peeling of the optical fiber coating are suppressed, so that the service life of the sensor can be extended.

【0030】[0030]

【発明の効果】本発明により、通過光量の測定可能範囲
内で、(1箇所の初期曲げたわみをもつ光ファイバの通
過光量)の(N−1)乗と(前記初期たわみに加えてノ
ックによる圧力変化に応じた曲げたわみが重畳された場
合の光ファイバの通過光量の変化量)の積が最大になる
ように、予め光ファイバに与える初期曲げたわみ量を設
定することにより、筒内圧及び振動(ノック)信号の感
度を最大にすることができる。さらに、光ファイバに加
わるひずみや側圧は低減され、光ファイバの破損や光フ
ァイバコーティングのはく離が抑制されるため、センサ
の長寿命化が実現できる。
According to the present invention, within the measurable range of the passing light amount, (the passing light amount of the optical fiber having one initial bending deflection) raised to the (N-1) th power and (the knock in addition to the initial bending) The in-cylinder pressure and vibration are set in advance by setting the amount of initial bending deflection given to the optical fiber so as to maximize the product of the amount of light passing through the optical fiber when the bending deflection according to the pressure change is superimposed. (Knock) Signal sensitivity can be maximized. Further, the strain and the side pressure applied to the optical fiber are reduced, and the breakage of the optical fiber and the peeling of the optical fiber coating are suppressed, so that the service life of the sensor can be extended.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に係わる第1の実施例を示す光ファイバ
筒内圧センサの初期曲げたわみの設定値を説明するグラ
フである。
FIG. 1 is a graph illustrating a set value of an initial bending deflection of an optical fiber in-cylinder pressure sensor according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明に係わる第1の実施例の光ファイバ筒内
圧センサの実装状態を説明する斜視図及び一部断面図で
ある。
FIGS. 2A and 2B are a perspective view and a partial cross-sectional view illustrating a mounted state of the optical fiber in-cylinder pressure sensor according to the first embodiment of the present invention.

【図3】光ファイバの曲げたわみ量と光ファイバ通過光
量の関係を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the amount of bending of an optical fiber and the amount of light passing through the optical fiber.

【図4】光ファイバの曲げたわみ量に対する光ファイバ
通過光量の関係の例を示すグラフである。
FIG. 4 is a graph showing an example of the relationship between the amount of bending light of an optical fiber and the amount of light passing through the optical fiber.

【図5】光ファイバの初期曲げたわみ量とノック出力の
関係の例を示すグラフである。
FIG. 5 is a graph illustrating an example of a relationship between an initial bending amount of an optical fiber and a knock output.

【図6】光ファイバの曲げたわみ量に対する光ファイバ
に加わる最大ひずみの関係の例を示すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing an example of the relationship between the amount of bending of an optical fiber and the maximum strain applied to the optical fiber.

【図7】光ファイバの曲げたわみ量と光ファイバに加わ
る最大側圧の関係の例を示すグラフである。
FIG. 7 is a graph showing an example of the relationship between the amount of bending of an optical fiber and the maximum lateral pressure applied to the optical fiber.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10a ガスケット内の光ファイバ通路 10b センサブロック内の光ファイバ通路 11 凹み 20 センサブロック 20a 上センサブロック 20b 下センサブロック 21 ダイアフラム 23 ダイアフラムの突起部 25 エンジン本体 40 ガスケット 40a ガスケットの上板 40b ガスケットの中板 40c ガスケットの下板 50 光ファイバ 60 光源 61 受光器 62 放射光 70 筒内圧 10a Optical fiber passage in gasket 10b Optical fiber passage in sensor block 11 Depression 20 Sensor block 20a Upper sensor block 20b Lower sensor block 21 Diaphragm 23 Diaphragm projection 25 Engine body 40 Gasket 40a Upper plate of gasket 40b Middle plate of gasket 40c lower plate of gasket 50 optical fiber 60 light source 61 light receiver 62 radiation light 70 cylinder pressure

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 少なくとも1本の光ファイバと、N箇所
の圧力について各々圧力を変位に変換する手段を有し、
前記圧力を変位に変換する手段に付加した光ファイバに
曲げたわみを与える手段により予め光ファイバに初期曲
げたわみを与え、さらに前記圧力の変化に応じて光ファ
イバに曲げたわみを与えて前記光ファイバ内を通過する
光量の変化から、前記圧力を検出する光ファイバ式圧力
センサにおいて、 通過光量の測定可能範囲内で、(1箇所の初期曲げたわ
みによる通過光量)の(N−1)乗と(前記圧力変化に
応じた光ファイバの曲げたわみによる通過光量の変化
量)の積が最大になるように、予め光ファイバに与える
初期曲げたわみ量を設定することを特徴とした光ファイ
バ式圧力センサ。
1. At least one optical fiber and means for converting pressure into displacement for each of N pressures,
A means for imparting a bending deflection to the optical fiber added to the means for converting the pressure into a displacement gives an initial bending deflection to the optical fiber in advance, and further gives a bending deflection to the optical fiber in accordance with the change in the pressure, thereby providing a bending inside the optical fiber. In an optical fiber pressure sensor that detects the pressure from a change in the amount of light passing through the optical fiber pressure sensor, the (N-1) th power of (the amount of light passed by one initial bending deflection) and (the aforementioned An optical fiber type pressure sensor characterized in that an initial bending amount to be applied to an optical fiber is set in advance so that a product of a bending light amount of the optical fiber according to a pressure change and an amount of light passing therethrough is maximized.
【請求項2】 光ファイバと、該光ファイバの長手方向
N個所に配置されそれぞれの個所で前記光ファイバに初
期たわみを付与する初期たわみ付与手段と、該初期たわ
み付与手段それぞれに付加され計測しようとする圧力の
変化に応じたたわみ量を前記光ファイバの初期たわみに
重畳する圧力変換手段とを有してなり、前記光ファイバ
内を通過する光量の変化から、前記圧力の変化を検出す
る光ファイバ式圧力センサにおいて、 通過光量の測定可能範囲内で、(1箇所の初期曲げたわ
みをもつ光ファイバの通過光量)の(N−1)乗と(前
記初期曲げたわみに前記圧力変化に応じた曲げたわみが
重畳された光ファイバの通過光量の変化量)の積が最大
になるように、予め光ファイバに与える初期曲げたわみ
量が設定されていることを特徴とした光ファイバ式圧力
センサ。
2. An optical fiber, an initial flexure applying means arranged at N locations in the longitudinal direction of the optical fiber and imparting initial flexure to the optical fiber at each location, and each of the initial flexure imparting means is measured by being added to the initial flexure imparting means. Pressure conversion means for superimposing the amount of deflection according to the change in pressure on the initial deflection of the optical fiber, and detecting the change in pressure from the change in the amount of light passing through the optical fiber. In the fiber pressure sensor, within the measurable range of the passing light amount, (the passing light amount of the optical fiber having one initial bending deflection) raised to the (N−1) th power and (the initial bending deflection according to the pressure change) The amount of initial bending deflection given to the optical fiber is set in advance so that the product of the amount of light passing through the optical fiber on which the bending deflection is superimposed is maximized. Optical fiber pressure sensor.
【請求項3】 請求項1または2記載の光ファイバ式圧
力センサにおいて、エンジンの多気筒の圧力を測定する
ことを特徴とした光ファイバ式圧力センサ。
3. An optical fiber pressure sensor according to claim 1, wherein the pressure of the multi-cylinder of the engine is measured.
【請求項4】 請求項3記載の光ファイバ式圧力センサ
において、 (前記初期曲げたわみに前記圧力変化に応じた曲げたわ
みが重畳された光ファイバの通過光量の変化量)の前記
圧力変化はエンジンのノックによる筒内圧の変化である
ことを特徴とする光ファイバ式圧力センサ。
4. The optical fiber pressure sensor according to claim 3, wherein the change in the pressure of (the amount of change in the amount of light passing through the optical fiber in which the bending according to the pressure change is superimposed on the initial bending) is an engine. An optical fiber type pressure sensor characterized by a change in in-cylinder pressure due to knocking.
【請求項5】 請求項1乃至4のいずれかに記載の光フ
ァイバ式圧力センサにおいて、1箇所の初期曲げたわみ
による通過光量が、入力光量を1としたとき少なくとも
0.8になるように、予め光ファイバに与える初期曲げ
たわみ量が設定されることを特徴とした光ファイバ式圧
力センサ。
5. The optical fiber pressure sensor according to claim 1, wherein the amount of light transmitted through one initial bending deflection is at least 0.8 when the amount of input light is 1. An optical fiber type pressure sensor wherein an initial bending amount to be given to an optical fiber is set in advance.
【請求項6】 シリンダとシリンダヘッドの間に挿入し
て使用されるガスケットにおいて、該ガスケットに請求
項1乃至5のいずれかに記載の光ファイバ式圧力センサ
が内蔵されていることを特徴としたガスケット。
6. A gasket which is used by being inserted between a cylinder and a cylinder head, wherein the gasket incorporates the optical fiber pressure sensor according to any one of claims 1 to 5. gasket.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007309894A (en) * 2006-05-22 2007-11-29 Nitta Ind Corp Device and method for forming deflection of optical fiber

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